JP2669823B2 - Silicon film growth method - Google Patents

Silicon film growth method

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【発明の詳細な説明】 (イ) 産業上の利用分野 本発明は、SOI構造を形成するために、絶縁膜又は絶
縁基台上に単結晶シリコンをエピタキシャル成長させる
方法に関する。 (ロ) 従来の技術 絶縁膜又は絶縁基台(以下絶縁基台という)上に、単
結晶シリコン膜を形成したものは、SOI(Silicon On In
sulator)構造、特に絶縁基台がサファイアのものはSOS
(Silicon On Sapphire)構造と称され、半導体集積回
路において高集積化や高速化が図れるものとして知られ
ている。 絶縁基台上にシリコン膜を結晶させる場合には、その
前処理として絶縁基台を洗浄する必要があるが、オート
ドーピング等の悪影響を避けるために、できる限り低温
で洗浄する必要があった。 例えば、特開昭62−90921号公報(H01L21/20)には、
シリコンウェハ、サファイア基板等からなる基台上にシ
リコンをエピタキシャル成長させる方法において、不活
性ガスに高周波電界を印加してイオン化するとともに、
前記基台に一定電圧を印加して、イオン化された不活性
ガスにより基台表面をスパッタリング洗浄した後、基台
表面にシリコンをエピタキシャル成長させることが記載
されている。 (ハ) 発明が解決しようとする課題 従来例にあっては、基台の洗浄時およびシリコンのエ
ピタキシャル成長時のいずれも800℃の温度で行ってい
る。 この洗浄、成長共に800℃という温度条件は、成長層
へのオートドーピングは抑制されるものの、成長したシ
リコン膜に欠陥が多く(本願発明者の測定では欠陥密度
が6.9×104cm-2と悪く)、実用に供する程の膜質が得ら
れない問題がある。 これは、洗浄、成長共に850℃という温度条件でも同
様である。 本発明は、シリコン膜の成長方法に関し、斯かる問題
点を解消するものである。 (ニ) 課題を解決するための手段 本発明は、絶縁基台上にシリコン膜の単結晶を成長さ
せる方法であって、不活性ガスに高周波電界を印加して
イオン化するとともに、前記基台に一定電圧を印加して
前記イオン化した不活性ガスにより基台表面をスパッタ
リング洗浄し、前記基台に、前記洗浄時よりも高い温度
で且つ950℃未満の温度でシリコン膜をエピタキシャル
成長させるものである。 (ホ) 作用 すなわち、スパッタリング洗浄時よりも高い基台温度
でシリコン膜のエピタキシャル成長を行わせることで、
絶縁基台上に欠陥の少ない単結晶シリコン膜を得ること
ができる。 しかも、エピタキシャル成長時の温度を950℃未満と
することにより、成長層へのオートドーピングも抑制し
ている。 (ヘ) 実施例 第1図は本発明に係るCVD装置を示し、1は石英等か
らなる反応管であり、一端にガス導入管2、他端に排気
管3が設けられている。4はカーボンにSiCをコーティ
ングしたサセプタであって、反応管1外の赤外線ランプ
5により加熱されるようになっている。 また、このサセプタ4の温度は熱電対7により計測さ
れると共に、直流電源8から電圧が印加されるようにな
っている。9は反応管1のサセプタ4の位置よりも上流
側に、この反応管1の周囲を巻回するように設けられた
コイル、10はこのコイル9に結ばれた高周波電源を示
し、13.56MHz、50Wの高周波を発生する。 このような装置を用いて、シリコン膜のエピタキシャ
ル成長を行う場合について、第2図を参照しつつ説明す
る。 絶縁基台としてはサファイア基台、マグネシアスピネ
ル単結晶基板又はマグネシアスピネル単結晶膜を基板表
面上に形成したものなどを用いる。 まず、化学的に洗浄した絶縁基台21をサセプタ4上に
設置し、排気管3から反応管1内を例えばターボ分子ポ
ンプにより10-7Torr台まで真空排気して残留ガスを除去
する。その後、赤外線ランプ5により基台21を加熱し昇
温させる。 この時の設定温度は基台表面の洗浄化に要する温度と
して例えば800℃とする。この設定温度で一定時間(例
えば1時間程度)保持して反応管1内及び基台21のベー
キングを行う。そして、昇温前の真空度に近い状態で、
ガス導入管2からArガスを30cc/minの流量で供給し(こ
のときのAr分圧は約150mTorr)、供給が安定したらコイ
ル9に高周波電源10から約50Wの出力で高周波を印加す
る。コイル9への高周波印加により反応管1内でArプラ
ズマが発生する。 そして、サセプタ4に直流バイアス電圧(例えば300
V)を印加し、Arプラズマを基台21の表面に衝突させて
基台表面のスパッタリング洗浄を行う。洗浄の度合いは
スパッタ時間で制御し、基台温度が800℃のときは3分
程度でよい。 スパッタリング洗浄が終了した時点(第2図A)で、
サセプタ4への直流バイアス電圧の印加を停止し、ガス
導入管2から10cc/minの流量でSiH4ガス(SiH4ガス分圧
は約70mTorr)をArガスとともに供給する。これと同時
に赤外線ランプ5により基台温度を成長温度である850
℃に加熱し昇温させる。数十秒間ArガスとSiH4ガスの混
合ガスによるプラズマを発生させた後、高周波出力を20
Wまで落とすかゼロにして、プラズマCVD法又は減圧CVD
法によりシリコン膜をエピタキシャル成長させる。 ここで、基台温度は800℃から850℃に昇温するのに5
分程度要するので、この時点ではまだ850℃に達してい
ない。したがって、成長温度に達するまでのシリコン膜
の成長を極力抑えるためにSiH4ガス分圧を約70mTorrか
ら約25mTorrに下げておく。 基台温度が800℃の場合、SiH4ガス分圧が約70mTorrで
シリコン膜の成長速度が約700Å/minであるのに対し、S
iH4ガス分圧が約25mTorrで成長速度は約100Å/minであ
るので、基台温度が850℃に達するまでに約500Åのシリ
コン膜22′がエピタキシャル成長する(第2図B)。 基台温度が850℃に達した時点で、SiH4ガス分圧を元
の約70mTorrに戻してエピタキシャル成長を所望の厚さ
(例えば0.3μm)になるまで継続する。但し、基台温
度は850℃に保持しておく。 こうして、欠陥密度の小さい(=6.9×103cm-2)、高
品質な単結晶シリコン膜22が得られる(第2図C)。 以上のように、洗浄温度800℃、成長温度800℃で得ら
れたシリコン膜の欠陥密度が、約6.9×104cm-2であるの
に対し、本実施例にあっては、洗浄温度800℃、成長温
度850℃で得られたシリコン膜の欠陥密度が6.9×103cm
-2と、欠陥密度が著しく低減され、欠陥の非常に少ない
良質のシリコン膜を得ることができる。 ここで、洗浄温度850℃、成長温度850℃としてシリコ
ン膜をエピタキシャル成長させると、欠陥密度は2.2×1
05cm-2と非常に大きなものとなってしまう。これはスパ
ッタリングによる洗浄作用が熱的効果により促進され、
かえって基台表面が荒れてしまい、荒れた基台表面上に
成長したシリコン膜中に多数の結晶欠陥が導入されるた
めと考えられる。したがって、スパッタリング洗浄にお
ける基台温度は800℃程度の温度が上限となる。また、
エピタキシャル成長の基台温度としては、基台からシリ
コン膜へのオートドーピング(例えばA1)を避けるため
に950℃未満の温度にすることが望ましい。 本実施例では、エピタキシャル成長させるときの基台
温度を、950℃未満である850℃付近に設定することで、
基台からの不純物のオートドーピングも抑制している。 (ト) 発明の効果 本発明のシリコン膜の成長方法にあっては、スパッタ
リング洗浄時よりも高い基台温度でシリコン膜のエピタ
キシャル成長を行わせることで、絶縁基台上に欠陥密度
の小さい単結晶シリコン膜を得ることができる。 しかも、エピタキシャル成長時の温度を950℃未満と
することにより、成長層へのオートドーピングも抑制で
きる。 したがって、実用に供する高品質のデバイスを形成で
きる。
The present invention relates to a method for epitaxially growing single crystal silicon on an insulating film or an insulating base in order to form an SOI structure. (B) Conventional technology An SOI (Silicon On In Insulator) is a device in which a single crystal silicon film is formed on an insulating film or an insulating base (hereinafter referred to as an insulating base).
SOS) structure, especially SOS with an insulation base of SOS
It is called a (Silicon On Sapphire) structure, and is known to be capable of achieving high integration and high speed in a semiconductor integrated circuit. When a silicon film is crystallized on an insulating base, the insulating base needs to be cleaned as a pretreatment, but it has been necessary to clean at a temperature as low as possible in order to avoid adverse effects such as auto doping. For example, in Japanese Patent Laid-Open No. 62-90921 (H01L21 / 20),
In a method of epitaxially growing silicon on a base made of a silicon wafer, a sapphire substrate, etc., a high-frequency electric field is applied to an inert gas for ionization,
It describes that a constant voltage is applied to the base, the base surface is sputter-cleaned with an ionized inert gas, and then silicon is epitaxially grown on the base surface. (C) Problems to be Solved by the Invention In the conventional example, both the cleaning of the base and the epitaxial growth of silicon are performed at a temperature of 800 ° C. In the temperature condition of 800 ° C. for both the cleaning and the growth, although the auto-doping to the growth layer is suppressed, the grown silicon film has many defects (the defect density is 6.9 × 10 4 cm −2 according to the measurement by the present inventors). (Badly), there is a problem that the film quality for practical use cannot be obtained. This is also true under the temperature condition of 850 ° C. for both cleaning and growth. The present invention relates to a method for growing a silicon film and solves such a problem. (D) Means for Solving the Problems The present invention is a method for growing a single crystal of a silicon film on an insulating base, which comprises applying a high-frequency electric field to an inert gas for ionization and at the same time applying the base to the base. The surface of the base is sputter-cleaned with the ionized inert gas by applying a constant voltage, and a silicon film is epitaxially grown on the base at a temperature higher than that at the time of cleaning and less than 950 ° C. (E) Action In other words, by causing the silicon film to grow epitaxially at a base temperature higher than that during sputtering cleaning,
A single crystal silicon film with few defects can be obtained on the insulating base. Moreover, by setting the temperature at the time of epitaxial growth to less than 950 ° C., autodoping of the growth layer is also suppressed. (F) Example FIG. 1 shows a CVD apparatus according to the present invention, in which 1 is a reaction tube made of quartz or the like, a gas introduction tube 2 is provided at one end, and an exhaust tube 3 is provided at the other end. Reference numeral 4 denotes a susceptor in which carbon is coated with SiC, and is heated by an infrared lamp 5 outside the reaction tube 1. The temperature of the susceptor 4 is measured by a thermocouple 7 and a voltage is applied from a DC power supply 8. Reference numeral 9 denotes a coil provided on the upstream side of the position of the susceptor 4 of the reaction tube 1 so as to wind around the reaction tube 1. Reference numeral 10 denotes a high-frequency power supply connected to the coil 9; Generates a high frequency of 50W. A case where a silicon film is epitaxially grown using such an apparatus will be described with reference to FIG. As the insulating base, a sapphire base, a magnesia spinel single crystal substrate or a magnesia spinel single crystal film formed on the surface of the substrate is used. First, the insulating base 21 that has been chemically cleaned is placed on the susceptor 4, and the inside of the reaction tube 1 is evacuated from the exhaust pipe 3 to a level of 10 −7 Torr by, for example, a turbo molecular pump to remove residual gas. Then, the infrared lamp 5 heats the base 21 to raise the temperature. The set temperature at this time is, for example, 800 ° C. as a temperature required for cleaning the surface of the base. The inside of the reaction tube 1 and the base 21 are baked by maintaining this set temperature for a certain time (for example, about 1 hour). And, in a state close to the vacuum degree before temperature rise,
Ar gas is supplied from the gas introduction pipe 2 at a flow rate of 30 cc / min (at this time, the partial pressure of Ar is about 150 mTorr). Ar plasma is generated in the reaction tube 1 by applying a high frequency to the coil 9. Then, a DC bias voltage (for example, 300
V) is applied and Ar plasma is collided with the surface of the base 21 to clean the surface of the base by sputtering. The degree of cleaning is controlled by the sputtering time, and when the base temperature is 800 ° C, it may be about 3 minutes. When the sputtering cleaning is completed (Fig. 2A),
The application of the DC bias voltage to the susceptor 4 is stopped, and SiH 4 gas (SiH 4 gas partial pressure is about 70 mTorr) is supplied together with Ar gas from the gas introduction pipe 2 at a flow rate of 10 cc / min. At the same time, the infrared lamp 5 is used to adjust the base temperature to the growth temperature of 850
Heat to ℃ and raise the temperature. After generating plasma with a mixed gas of Ar gas and SiH 4 gas for several tens of seconds, the high frequency output was set to 20
Drop to W or reduce to zero, plasma CVD method or low pressure CVD
A silicon film is epitaxially grown by the method. Here, the base temperature is 5 to increase from 800 ℃ to 850 ℃.
It takes about a minute, so it has not reached 850 ℃ at this point. Therefore, the SiH 4 gas partial pressure is lowered from about 70 mTorr to about 25 mTorr in order to suppress the growth of the silicon film to the growth temperature as much as possible. When the base temperature is 800 ° C, the SiH 4 gas partial pressure is about 70 mTorr and the silicon film growth rate is about 700 Å / min.
Since the iH 4 gas partial pressure is about 25 mTorr and the growth rate is about 100 ° / min, a silicon film 22 ′ of about 500 ° grows epitaxially until the base temperature reaches 850 ° C. (FIG. 2B). When the temperature of the base reaches 850 ° C., the partial pressure of the SiH 4 gas is returned to about 70 mTorr, and the epitaxial growth is continued until a desired thickness (for example, 0.3 μm) is reached. However, the base temperature is kept at 850 ° C. Thus, a high-quality single crystal silicon film 22 having a low defect density (= 6.9 × 10 3 cm −2 ) is obtained (FIG. 2C). As described above, the defect density of the silicon film obtained at the cleaning temperature of 800 ° C. and the growth temperature of 800 ° C. is about 6.9 × 10 4 cm −2 , while in the present embodiment, the cleaning temperature of 800 ° C. Defect density of silicon film obtained at ℃ ℃, growth temperature 850 ℃ 6.9 × 10 3 cm
-2 , the defect density is remarkably reduced, and a high-quality silicon film with very few defects can be obtained. Here, when the silicon film is epitaxially grown at a cleaning temperature of 850 ° C. and a growth temperature of 850 ° C., the defect density is 2.2 × 1.
It will be very large, 0 5 cm -2 . This is because the cleaning action by sputtering is promoted by the thermal effect,
It is considered that the surface of the base is rather roughened, and many crystal defects are introduced into the silicon film grown on the surface of the roughened base. Therefore, the base temperature in the sputtering cleaning has an upper limit of about 800 ° C. Also,
The base temperature for epitaxial growth is preferably set to a temperature lower than 950 ° C. in order to avoid autodoping (eg, A1) from the base to the silicon film. In this example, by setting the base temperature during epitaxial growth to around 850 ° C., which is lower than 950 ° C.,
It also suppresses auto-doping of impurities from the base. (G) Effect of the Invention In the method for growing a silicon film of the present invention, a single crystal having a low defect density is formed on the insulating base by causing the silicon film to grow epitaxially at a base temperature higher than that during sputtering cleaning. A silicon film can be obtained. Moreover, by setting the temperature during the epitaxial growth to less than 950 ° C., it is possible to suppress the autodoping of the growth layer. Therefore, a high quality device for practical use can be formed.

【図面の簡単な説明】 第1図は本発明方法に係るCVD装置の概略構成図、第2
図は本発明の一実施例を示す工程説明図である。 1……反応管、2……ガス導入管、3……排気管、4…
…サセプタ、5……赤外線ランプ、7……熱電対、8…
…直流電源、9……コイル、10……高周波電源、21……
絶縁基台、22……シリコン膜。
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a CVD apparatus according to the method of the present invention, FIG.
The drawings are process explanatory views showing an embodiment of the present invention. 1 ... reaction tube, 2 ... gas introduction tube, 3 ... exhaust tube, 4 ...
… Susceptor, 5… infrared lamp, 7… thermocouple, 8…
… DC power supply, 9 …… coil, 10 …… high frequency power supply, 21 ……
Insulation base, 22 ... Silicon film.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中西 史朗 守口市京阪本通2丁目18番地 三洋電機 株式会社内 (72)発明者 壇 徹 守口市京阪本通2丁目18番地 三洋電機 株式会社内 (56)参考文献 特公 昭47−12060(JP,B1)   ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page    (72) Inventor Shiro Nakanishi               2-18 Keihanhondori, Moriguchi City SANYO Electric               Inside the corporation (72) Inventor Toru Dan               2-18 Keihanhondori, Moriguchi City SANYO Electric               Inside the corporation                (56) References Japanese Patent Publication Sho 47-12060 (JP, B1)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】 1.絶縁基台上にシリコン膜の単結晶を成長させる方法
であって、不活性ガスに高周波電界を印加してイオン化
するとともに、絶縁基台に一定電圧を印加して前記イオ
ン化した不活性ガスにより基台表面をスパッタリング洗
浄し、前記基台に、前記洗浄時よりも高い温度で且つ95
0℃未満の温度でシリコン膜をエピタキシャル成長させ
ることを特徴としたシリコン膜の成長方法。
(57) [Claims] A method for growing a single crystal of a silicon film on an insulating base, wherein a high frequency electric field is applied to an inert gas to ionize the same, and a constant voltage is applied to the insulating base to form a base with the ionized inert gas. Clean the surface of the table by sputtering, and place it on the base at a higher temperature and
A method for growing a silicon film, which comprises epitaxially growing the silicon film at a temperature lower than 0 ° C.
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